Le compostage est un procédé aérobie de stabilisation de la matière organique (MO). Les transformations de la MO conduisent à des émissions gazeuses (NH3, N2O, CH4, CO2) et une perte d'azote utile pour la fertilisation. La variété des pratiques et les différences de nature des substrats modifient la vitesse de dégradation de la MO, la qualité finale du compost produit et la part d'émissions sous forme de polluants gazeux. L'optimisation du procédé nécessite la prédiction de ces transformations ou la réalisation d'essais empiriques. Cette thèse analyse les interactions entre les processus biologiques, biochimiques, physico-chimiques et thermodynamiques majeurs à l'origine de la stabilisation de la MO et des émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3, N2O. Elle se focalise sur le compostage par aération passive en andain d'effluents d'élevage. La méthode s'appuie sur la modélisation dynamique, semi-empirique, du procédé et sur des expérimentations sur des andains de petite taille. Dans un premier temps, l'impact des interactions entre les facteurs clés du compostage, soit la biodégradabilité du carbone, la disponibilité de l'azote, l'humidité et la porosité, sur la cinétique et la stœchiométrie des émissions gazeuses est analysé à partir de données acquises en conditions contrôlées et sur une plateforme de compostage à la Réunion sur des périodes allant de 20 à 80 jours. Les facteurs ont été hiérarchisés : l'effet de la porosité couplé à l'effet de l'humidité joue le rôle majeur dans la régulation des transformations de la MO et des émissions gazeuses. Les effets de la porosité, de l'humidité et du type de structurant sur les transformations de la MO, observés en conditions commerciales, confirment les observations en conditions contrôlées. Alors que les écarts de répétabilité en conditions contrôlées sont faibles sur les températures et bilans de masse, ces écarts deviennent élevés en conditions de reproductibilité sur le terrain. Dans un deuxième temps, un modèle dynamique de compostage a été développé simulant la stabilisation du carbone et de l'azote ainsi que les émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3 et N2O. Ce modèle est composé de quatre modules couplés. Le premier simule les cinétiques d'oxydation de la MO par une population microbienne hétérotrophe produisant du CO2 et de la chaleur. Le deuxième décrit les échanges thermiques se déroulant lors du compostage, à l'origine de l'aération passive de l'andain et des cinétiques de température interne et d'évaporation d'H2O. Le troisième module décrit le transfert d'oxygène au sein de l'andain modulé par la porosité et l'humidité. Le quatrième module simule les transformations et la stabilisation de l'azote ainsi que les cinétiques d'émissions d'NH3 et de N2O. Le système global représentant un andain de compostage en aération naturelle est considéré comme homogène en termes de composition et de caractéristiques thermiques. Lors de la phase thermophile, le facteur limitant le plus rapidement l'organisation de la MO est la disponibilité de l'azote. L'abaissement de la porosité entraîne une diminution des pertes gazeuses par l'augmentation de l'organisation de la MO. Le fractionnement initial de la MO ainsi que la teneur initiale en biomasse microbienne sont les facteurs clés pour prédire les cinétiques d'organisation du carbone et de l'azote. Les paramètres spécifiques des émissions d'NH3, d'H2O et de N2O sont initialisés en fonction de la nature du substrat et des caractéristiques physiques de l'andain. La calibration du modèle reste à améliorer, et par la suite le modèle devra être validé en condition industrielles. Les effets modélisés de la porosité, de l'humidité et du type de structurant sur les transformations de la MO permettent d'envisager l'usage du modèle pour optimiser le compostage d'effluents d'élevage.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:CCSD/oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00935691 |
| Date | 08 November 2013 |
| Creators | Oudart, Didier |
| Publisher | INSA de Toulouse |
| Source Sets | CCSD theses-EN-ligne, France |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | PhD thesis |
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